基于極點(diǎn)配置的400 Hz 逆變電源系統設計

2 仿真與分析

根據400 Hz 逆變電源的特性， 選擇其開(kāi)關(guān)頻率為f sw = 20 kHz， 進(jìn)而確定系統的阻尼振蕩角頻率為 r= 3 500 rad/ sec， 由于本系統相對應的逆變電源是在空載條件下設計的， 故為工作時(shí)加載留一定的裕量， 取 r= 0. 6， 系統的綜合等效電阻r = 0. 1 。

濾波器的設計可有多種方法。本文采用一種較為簡(jiǎn)單的LC 濾波器設計法來(lái)確定LC 的參數。由于系統的開(kāi)關(guān)頻率遠大于基波頻率， 濾波器的截止頻率一般選為1/ 10~ 1/ 15 倍的開(kāi)關(guān)頻率。本文選截止頻率為f c= 1 600 Hz 即4 次諧波， 從而根據文獻[ 7] 中采用的方法來(lái)確定濾波參數: L = 530 !H， C= 11. 9 !F。將以上確定參數代入式( 7) ， 可計算出系統的反饋增益。經(jīng)計算可得400 Hz 逆變電源的參數選取， 與50 Hz 系統相比不易確定， 本文取k1i= 231. 9， k1p = 0. 0776， k2i= 235909， k2p = 24. 4。將以上參數代入式( 5) 并進(jìn)行MATLAB 仿真可得空載時(shí)系統特性如圖2~ 圖7。

圖2 為系統的奈奎斯特曲線(xiàn)， 可以看到， 曲線(xiàn)不包圍( - 1， j0) 點(diǎn)， 根據奈奎斯特穩定判據可知系統是穩定的; 圖3 為系統的根軌跡圖， 可以看到， 一對共軛主導極點(diǎn)位于S 域左半面距虛軸較近處， 對系統特性起主要的影響作用， 非主導極點(diǎn)也位于s 域左半面， 對系統特性的作用較小， 從圖中還可以看出， 4 個(gè)極點(diǎn)都位于S 域的左半面， 說(shuō)明系統是穩定的; 圖4 為系統的頻率特性曲線(xiàn)， 由幅頻特性與相頻特性可知系統低頻段特性平穩， 高頻段幅值迅速衰減， 具有很寬的帶寬， 在工作頻率范圍內具有很大的穩定裕度; 圖5 為系統的單位階躍響應， 由圖可知系統具有較快的動(dòng)態(tài)特性。

圖6、圖7 分別是空載時(shí)逆變電源系統輸出波形和與之相對應的波形畸變。由圖可知， 采用基于極點(diǎn)配置的PI 控制大大增強了系統的輸出性能， 減小了系統的波形畸變， 空載時(shí)系統的THD 值只有2. 98 %，波形的正弦性好。接下來(lái)對系統進(jìn)行加載實(shí)驗， 由于400 Hz 電源主要用于精密場(chǎng)合， 不作為再整流的交流輸入， 故本文僅對系統施加阻性負載和阻感性負載， 仿真結果見(jiàn)表1。

表1 系統加載仿真結果

經(jīng)過(guò)表1 的分析可知， 在加阻性負載的情況下， 系統的畸變率T HD 都小于空載時(shí)的THD 值， 電壓的變化也在允許范圍( 5 %) 以?xún)? 加阻感負載的情況下， 由于電感的存在， 電壓畸變率較純阻性負載時(shí)大， 但輸出電壓的有效值在一個(gè)小范圍內變化， 基本保持平穩。

可見(jiàn)， 本系統具有較強的帶負載能力。

3 結束語(yǔ)

本文以極點(diǎn)配置的方法對一款400 Hz 逆變電源進(jìn)行了分析計算， 發(fā)現400 Hz 逆變電源參數的設計較工頻困難， 計算誤差、相角偏移等因素對系統性能的影響較大。本文采用了理論計算與仿真驗證相結合的方法， 最終確定了系統的相關(guān)參數。通過(guò)MA TLABSIMULINK模塊進(jìn)行仿真， 驗證了該系統動(dòng)態(tài)響應快、穩態(tài)誤差小和穩定范圍大， 逆變電源輸出波形畸變小， 帶載能力強， 達到了預期的效果。